Modélisation électro-optique et optimisation des cellules solaires

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE ABOU BAKR BELKAID– TLEMCEN
FACULTE DES SCIENCES
DEPARTEMENT DE PYSIQUE
UNITE DE RECHERCHE MATERIAUX
ET ÉNERGIES RENOUVELABLES(URMER)
THESE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR EN PHYSIQUE
Spécialité: Physique Energétique et Matériaux
Par
Mr MERAD BOUDIA Mustapha Réda
Sur le thème
Modélisation électro-optique et optimisation des
cellules solaires organiques
Présenté le 13/04/2016 Devant le jury composé de MM.
- Président
Pr. Boumediene BENYOUCEF
Université de Tlemcen
- Encadreur
Pr. Ali CHEKNANE
Université de Laghouat
- Examinateur
Pr. Tayeb BENOUAZ
Université de Tlemcen
- Examinateur
Pr. Khadidja RAHMOUNE
Université de Tlemcen
- Examinateur
Dr Abderrahmane HAMIDAT
CDER ALGER
- Examinateur
Dr. Ali MALEK
CDER ALGER
Année universitaire : 2015-2016

Cette étude a été menée à l’unité de recherche sur les
matériaux et les énergies renouvelables (URMER) de
l’université Abou Bekr Blkaid de Tlemcen et guidé sous la
direction du Pr.Ali CHEKNANE de l’université Amar
Telidji de Laghouat que j’exprime à lui toutes mes
reconnaissances .
J’exprime mon remerciement au Pr B.ENYOUCEF qui
m'a fait aussi l'honneur de présider le jury de cette thèse.
Je tiens à exprimer mes sincères remerciements aux
membres du jury de cette thèse:
Pr K.RAHMOUN ,Pr.T.BENOUAZ, Dr.A.HAMIDAT et
Dr.A.MALEK qui m’ont fait le grand plaisir d’examiner
avec soin mon manuscrit.
Je remercie tous les Chercheurs de (UREMR)
Je remercie tous les collègues surtout Abdelmadjid et je
leur souhaite bonne chance dans leurs projets et leurs
avenir.
Je tiens à remercier sincèrement tous les membres d’Unité
de Recherche de Matériaux et des Energies Renouvelables
(URMER). A tous les membres de ma famille et tous ceux
qui m’ont aidé de près ou de loin.

Introduction générale
CHAPITRE I
Généralités sur les cellules photovoltaïques
Introduction ……………………………………………………………………………….....1
I. 1 Notions préliminaires sur le rayonnement solaire ......................................................…...1
I. 2 Principe de fonctionnement ………………………………...………….…….…........…..3
I. 3Types de cellules………...………………………………………….………….............…4
I. 4 Modèle équivalent d’une cellule photovoltaïque……………………….…………..........5
I. 5 Paramètres des cellules photovoltaïques………………………………….………...........8
I. 6 Objectifs de la thèse ……………………...……………………………………….........10
CHAPITRE II
Les cellules photovoltaïques organiques
Introduction ………………………………………………………………………………...14
Historique des cellules photovoltaïques organiques………………………………………...14
II.1 Les semi-conducteurs organiques………..…………………….…………..…………...15
II.1.1- Origines de la conductivité.......................................................................................15
II.1.2- Ressemblances avec les semi-conducteurs inorganiques........................................16
II. 2 Fonctionnement des cellules photovoltaïques organiques..............................................16

II.2.1- Génération des porteurs dans les matériaux organiques...................................16
II.2.2- Processus de génération du photocourant........................................................17
II. 3 Estimation du rendement énergétique maximal des cellules solaires organique...........19
II. 4 Conduction par sauts ……….....................................……………….…………............20
II. 5 Différentes structures pour les cellules solaires organiques...........................................21
II.5.1 Structure monocouche (Schottky)......................................................................21
II.5.2 Structures à hétérojonction bicouches................................................................21
II.5.3 Structures hétérojonctions en volume ...............................................................23
II.5.4 Structures Tandem.............................................................................................27
II.5.5- Cellules de type Graetzel..................................................................................28
II. 6 Comparaison avec les cellules solaires classiques et à base de silicium........................29
References..............................................................................................................................31
CHAPITRE III
Modélisation du transport de charges dans les matériaux désordonnés
Introduction..............................................................................................................................34
III.1 Modélisation optique…………………………………………………………………...34
III.1.1 Rappel théorique..................................................................................................34
III.1.2 La méthode de transfert de matrice (TMM Transfer Matrix Method)................36
III. 2 Description mathématique du transport par Hopping………………….……………....42
III. 2.1 Équation maitresse..............................................................................................42
III. 2.2 Percolation..........................................................................................................43
III. 2.3 Modèle de L.Li.G.Meller and H.Kosina............................................................44
Conclusion ……………………..…………………………………………………..........…..48
References................................................................................................................................49

CHAPITRE IV
Résultats de la simulation numérique des cellules photovoltaïque organiques
Introduction ….………………………………………………………………………….….51
IV.1 Cellule solaires organiques à base de matériau actif MDMO-PPV: PCBM…………..51
IV.1.1. Description élaboration et caractérisation...........................................................51
IV.1.1. Etude de la réflectivité.........................................................................................53
IV.1.2. Effet de la couche PEDOT:PSS et de l’épaisseur de la couche active sur le
champ électrique.....................................................................................................................55
IV.1.3 Effet de l’épaisseur de la couche active sur le champ électrique sans couche
PEDOT:PSS............................................................................................................................57
IV.2 Cellule solaires organiques à base de matériau actif MEH-PPV: PCBM……………..61
IV.2.1 Modèle expérimentale utilisé..............................................................................61
IV.2.2 Influence des propriétés optiques sur les paramètres électriques........................62
IV.2.3 Contribution à l’électrode polymère en PEDOT:PSS..........................................66
IV.3 Cellule solaires organiques à base de matériau actif P3HT:PCBM…………....……...68
IV.3.1 Modèle expérimentale utilisé..............................................................................68
IV.3.2 Résultats de simulation.........................................................................................69
Conclusion …………………………………………………………….……………...….….71
References................................................................................................................................73